Ferromagnetische Materialien basieren normalerweise auf dem Element Eisen und stellen eine der drei Arten von Magnetismus dar, die in der Natur vorkommen, im Unterschied zum Diamagnetismus und Paramagnetismus. Die Hauptmerkmale von Ferromagneten sind, dass sie ein natürliches Magnetfeld aufweisen, wenn dieses der Substanz nicht zuerst durch eine externe Magnetfeldquelle aufgeprägt wird, und das Feld ist in jeder Hinsicht permanent. Diamagnetische Materialien hingegen zeigen ein schwaches, induziertes Magnetfeld, das dem von Eisen direkt entgegengesetzt ist. Zu den paramagnetischen Materialien gehören Aluminium- und Platinmetalle, die ebenfalls zu einem leichten Magnetfeld induziert werden können, jedoch schnell ihre Wirkung verlieren, wenn das induzierende Feld entfernt wird.
Das in der Natur am häufigsten vorkommende Material mit ferromagnetischen Eigenschaften ist Eisen, und diese Qualität ist seit über 2,000 Jahren bekannt. Auch andere Seltene Erden können Ferromagnetismus aufweisen, wie Gadolinium und Dysprosium. Metalle, die als ferromagnetische Legierungen wirken, umfassen Kobalt, das mit Samariam oder Neodym legiert ist.
Das Magnetfeld in einem Ferromagneten ist in atomaren Bereichen zentriert, in denen Elektronenspins parallel zueinander ausgerichtet sind, den sogenannten Domänen. Diese Domänen sind stark magnetisch, jedoch zufällig über die gesamte Masse eines Materials selbst gestreut, was ihm einen insgesamt schwachen oder neutralen natürlichen Magnetismus verleiht. Indem solche natürlichen Magnetfelder genommen und einer externen magnetischen Quelle ausgesetzt werden, richten sich die Domänen selbst aus und das Material behält ein gleichmäßiges, starkes und dauerhaftes Magnetfeld. Diese Zunahme des allgemeinen Magnetismus einer Substanz wird als relative Permeabilität bezeichnet. Die Fähigkeit von Eisen und seltenen Erden, diese Ausrichtung der Domänen und des allgemeinen Magnetismus beizubehalten, wird als Hysterese bezeichnet.
Während ein Ferromagnet sein Feld beibehält, wenn das induzierende Magnetfeld entfernt wird, behält es im Laufe der Zeit nur einen Bruchteil der ursprünglichen Stärke bei. Dies wird als Remanenz bezeichnet. Die Remanenz ist wichtig bei der Berechnung der Stärke von Permanentmagneten basierend auf Ferromagnetismus, wo sie in Industrie- und Verbrauchergeräten verwendet werden.
Eine weitere Einschränkung aller ferromagnetischen Vorrichtungen besteht darin, dass die Magnetismuseigenschaft bei einem bestimmten Temperaturbereich, der als Curie-Temperatur bekannt ist, vollständig verloren geht. Wenn die Curie-Temperatur eines Ferromagneten überschritten wird, wechseln seine Eigenschaften zu denen eines Paramagneten. Das Curie-Gesetz der paramagnetischen Suszeptibilität verwendet die Langevin-Funktion, um die Änderung der ferromagnetischen zu paramagnetischen Eigenschaften in bekannten Materialzusammensetzungen zu berechnen. Der Wechsel von einem Zustand in einen anderen folgt mit steigender Temperatur einer vorhersagbaren, ansteigenden, parabelförmigen Kurve. Diese Tendenz des Ferromagnetismus, mit steigender Temperatur abzuschwächen und schließlich zu verschwinden, wird als thermisches Rühren bezeichnet.
Das in einem Transformator ohne bewegliche Teile zu hörende elektrische Brummen ist auf die Verwendung eines Ferromagneten zurückzuführen und wird als Magnetostriktion bezeichnet. Dies ist eine Reaktion des Ferromagneten auf das induzierte Magnetfeld, das durch den dem Transformator zugeführten elektrischen Strom erzeugt wird. Dieses induzierte Magnetfeld bewirkt, dass das natürliche Magnetfeld der Substanz die Richtung leicht ändert, um es mit dem angelegten Feld auszurichten. Es ist eine mechanische Reaktion im Transformator auf Wechselstrom (AC), der normalerweise in 60-Hertz-Zyklen oder 60 Mal pro Sekunde wechselt.
Die fortgeschrittene Forschung, die ferromagnetische Eigenschaften verwendet, hat mehrere spannende potenzielle Anwendungen. In der Astronomie wird eine ferromagnetische Flüssigkeit als eine Form eines Flüssigkeitsspiegels entwickelt, der glatter als Glasspiegel sein und zu einem Bruchteil der Kosten für Teleskope und Raumsonden hergestellt werden könnte. Die Spiegelform könnte auch durch zyklische Magnetfeldaktuatoren mit Ein-Kilohertz-Zyklen geändert werden.
Ferromagnetismus wurde auch in Verbindung mit Supraleitung in laufenden Forschungen im Jahr 2011 entdeckt. Eine Nickel- und Wismutverbindung, Bi3Ni, die im Nanometerbereich oder einem Milliardstel Meter entwickelt wurde, weist andere Eigenschaften auf als dieselbe Verbindung in größeren Proben . Materialeigenschaften in dieser Größenordnung sind einzigartig, da der Ferromagnetismus normalerweise die Supraleitung aufhebt und ihre Einsatzmöglichkeiten noch erforscht werden.
Die deutsche Forschung an Halbleitern, die auf einem Ferromagneten aufgebaut sind, beschäftigt sich mit der Verbindung Gallium-Mangan-Arsen, GaMnAs. Es ist bekannt, dass diese Verbindung die höchste Curie-Temperatur aller ferromagnetischen Halbleiter von 212° Fahrenheit (100° Celsius) aufweist. Solche Verbindungen werden erforscht, um die elektrische Leitfähigkeit von Supraleitern dynamisch abzustimmen.